光滤波器
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5.3光滤波器
--刘增祥 zengxiang liu
5.3 光滤波器
光滤波器是利用光学元件对不同波长的光产 生不同透过率来进行光滤波的光器件。 光滤波器广泛应用于稳频以及WDM系统(波 分复用)的信道选择，上下话路，解复用......
光滤波器在pon接入网中的应用：
WDM PON(波分复用 无源光网络）采用 波分复用作为接入 技术的无源光网络。 是未来接入网的最 终方向。 现在大部分采用的 是以太无源光网络
马赫-曾德尔（MZ）型滤波器
MZ滤波器实际上就是以MZ干涉仪为基础进 行工作，其插入损耗小，于光纤兼容性好， 具有梳妆滤波特性等优点。
Mach-Zehnder型滤波器
光纤耦合器，耦合 比分别k1，k2 折射率分别为n1 n2的光纤两臂
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
有源和无源滤波器的区别？
区别在于能否提供光增益。 有源滤波器在滤波的同时还能提供光增益，基于激 光二极管的滤波器就属于有源滤波器。 这些参数后面 会讲到 有源滤波器的优点：
自由光谱范围大；带宽窄；协调时间短； 动态范围小；以及由于增益饱和所带来的线宽展宽和频 率牵引等不足限制了它的发展。
表征环形谐振器的性能的三个重要参数： 自由光谱范围（FSR） 精细度（f） 品质因子（Q）
单环谐振腔存在的问题：
由于单环的下话路滤波响应为洛伦兹型，当复用
信号路数增多，间隔减小时，临近信道间的相互 串扰将严重影响系统性能。
如何解决？
为此需要加强滤波响应过度带的滚降系数特性，同时
衍射型滤波器
传统光栅：
传统光栅滤波器是利用入射光入射到光栅表面时，
不同波长的光衍射角不同来实现滤波的，这种类 型的滤波技术比较成熟，并在光信息处理、可协 调激光器等诸多领域得到广泛应用。
光纤光栅：
光纤光栅滤波器是一种光无源器件，利用光纤材
料热敏性，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周 期变化，从而形成的窄带滤波功能。
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
复合后每个波长的信号光在满足一定的相 位条件下，在两个光纤中，一个相长干涉， 一个相消干涉
环形谐振滤波器：
通过在两平行波导间插入一个环形波导就构 成了典型环形谐振腔。 环形谐振腔可以对光信号实现反馈加强和波 长选择，由于环形谐振器是基于动态传输的 光来形成谐振效应，因此与法珀型谐振器 （静态驻波谐振）相比，性能更加优越。 四个端口作为输入输出，相比两端口的FP谐 振器，在实现上下话路滤波是更有优势。
Fabry-Perot滤波器
基本原理：F-P干涉仪，平行 平板的多光束干涉。 当入射光波的波长为腔长的 整数倍时， 光波可形成稳定 振荡， 输出光波之间会产生 多光束干涉， 最后输出等间 隔的梳状波形（对应的滤波 曲线为梳状）。
F-P(法珀) 滤波器特性
谐振频率f
f=mc/2nl
为提高下话路信号的质量，通带内的平坦行也应改善， 这可以通过将多个环形谐振器进行级联来实现。
oh no，thank you
光滤波器按照工作原理分为以下三种类型：
棱镜形滤波器；
模式耦合滤波器
干涉型滤波器
多层介质薄膜滤波器 ※法布里—珀罗型滤波器FR
衍射型滤波器
{传统光栅
光光学滤波器件，利用棱镜对不同波长 的光有不同的折射率，是不同频率的光具有 不同的偏折角这一原理进行滤波的。
优点：
光纤波导端面代替平面镜，通过外加电压使得压电陶瓷产生电致伸 缩作用来改变谐振腔的长度，从而实现频率的选择调节。 它的镜面镀在窄气隙波导腔两侧的光纤端面上 空气隙腔于内波导腔折射率匹配，通过空气隙实现频谱调谐，通过 内光纤波导腔增加腔长。 具体看下图~~
b）空气隙波导腔法珀滤波器：
c）由以上两种混合成的内波导腔法珀滤波器：
2dn R
精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
F FSR R R越大，精细度越大。 FWHM 1 R
Frequency
F
FSR＝C/2nd 高反射率窄带滤波器
FSR R F F 1 R
几种典型的法布里-珀罗型滤波器：
a）光纤波导腔法珀滤波器：
WDM-PON有三种方案：
第一种是每个ONU分配一对波长，分别用于上行和下 行传输，从而提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点 双向连接； 第二种是ONU采用可调谐激光器（衍射型滤波器）， 根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够共享波长， 网络具有可重构性； 第三种是采用无色ONU（colorless ONU），即ONU与 波长无关方案。 还有一种是下行使用WDM-PON，上行使用TDM-PON的 混合PON。
干涉仪，间隔固定，为法布里-珀罗标准具）
详情看下图啊~~
多层介质膜滤波器
入射光
4
反射光 折射率
高 低 高 低 高
滤波器1滤波器2
1 , 2 , 3
1
2 , 3
3
透射光
2
介质薄膜滤波器
用介质薄膜滤波器构成解 复用器
介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应 选择波长。连续反射光在前表面相长干涉复合， 在一定的波长范围内产生高能量的反射光束， 在这一范围之外，则反射很小。
峰值透过率较强； 价格便宜； 由于棱镜是块状元器件，色散系数小； 由于滤波带宽较宽，不能用作窄带滤波；
缺点：
干涉型滤波器
利用相干光干涉的原理实现窄带滤波。
模式耦合滤波器：基于声光，电光，或磁光效应等各种 模式耦合的滤波器。 多层介质薄膜滤波器：在玻璃衬底上镀多层电介质薄膜， 通过控制沉积在衬底上薄膜的层数而制成各种窄带宽带 滤波器。 法布里-珀罗型：由平行放置的的两块平面板组成，为了 提高端面反射率，在俩平面板上镀有多层介质膜或金属 膜。（若平行板间隔可以改变，称为法布里-珀罗
多层介质膜工作原理
1 / 4 2 / 4
入射光 A B 反 射 光C n1
透射光
n2 > n1 n1
透射光
n2
n2
1
2
1
2
1 反 射 系 数 0 330
o
550 770
(nm)
(a)对 反射 光 相长 干 涉 的原 理
(b) 反 射系 数 与波 长 的 关系
所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有 相长干涉的特性 ( 相位差为 180 度 ) ，经过几层 这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系 数将达到 1。
缺点：
滤波器透过率主要参数：
1）中心波长：是指反射或透射带的两个边沿所对应波长的平均值。
2) 峰值波长：是指反射型滤波器的反射峰或透射型滤波器的透射峰所对应的波 长。
3） 带宽：一般用半值全宽【FWHM】也称3bB带宽来标定，即透射或反射型滤 波器的透过率或反射率下降为最大值一半时所对应的两波长之差值。 4） 自由光谱范围（FSR）：当滤波器透射峰有多个呈周期规律出现的峰值时， 相邻俩峰值波长（或频率）之差值。 详情请看下图啊~~
m=正整数(在频谱上的位置)；c=光速；n=谐振腔折射率；l=谐振腔长
自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振 频率的间距。
FSR=f（m+1）-f（m）=c/2nl;
3dB带宽FWHM：传输系数的数值降为最大值的一半 应的频带宽度。 FWHM C (1 R) R越大,FWHM越窄
--刘增祥 zengxiang liu
5.3 光滤波器
光滤波器是利用光学元件对不同波长的光产 生不同透过率来进行光滤波的光器件。 光滤波器广泛应用于稳频以及WDM系统(波 分复用)的信道选择，上下话路，解复用......
光滤波器在pon接入网中的应用：
WDM PON(波分复用 无源光网络）采用 波分复用作为接入 技术的无源光网络。 是未来接入网的最 终方向。 现在大部分采用的 是以太无源光网络
马赫-曾德尔（MZ）型滤波器
MZ滤波器实际上就是以MZ干涉仪为基础进 行工作，其插入损耗小，于光纤兼容性好， 具有梳妆滤波特性等优点。
Mach-Zehnder型滤波器
光纤耦合器，耦合 比分别k1，k2 折射率分别为n1 n2的光纤两臂
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
有源和无源滤波器的区别？
区别在于能否提供光增益。 有源滤波器在滤波的同时还能提供光增益，基于激 光二极管的滤波器就属于有源滤波器。 这些参数后面 会讲到 有源滤波器的优点：
自由光谱范围大；带宽窄；协调时间短； 动态范围小；以及由于增益饱和所带来的线宽展宽和频 率牵引等不足限制了它的发展。
表征环形谐振器的性能的三个重要参数： 自由光谱范围（FSR） 精细度（f） 品质因子（Q）
单环谐振腔存在的问题：
由于单环的下话路滤波响应为洛伦兹型，当复用
信号路数增多，间隔减小时，临近信道间的相互 串扰将严重影响系统性能。
如何解决？
为此需要加强滤波响应过度带的滚降系数特性，同时
衍射型滤波器
传统光栅：
传统光栅滤波器是利用入射光入射到光栅表面时，
不同波长的光衍射角不同来实现滤波的，这种类 型的滤波技术比较成熟，并在光信息处理、可协 调激光器等诸多领域得到广泛应用。
光纤光栅：
光纤光栅滤波器是一种光无源器件，利用光纤材
料热敏性，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周 期变化，从而形成的窄带滤波功能。
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
复合后每个波长的信号光在满足一定的相 位条件下，在两个光纤中，一个相长干涉， 一个相消干涉
环形谐振滤波器：
通过在两平行波导间插入一个环形波导就构 成了典型环形谐振腔。 环形谐振腔可以对光信号实现反馈加强和波 长选择，由于环形谐振器是基于动态传输的 光来形成谐振效应，因此与法珀型谐振器 （静态驻波谐振）相比，性能更加优越。 四个端口作为输入输出，相比两端口的FP谐 振器，在实现上下话路滤波是更有优势。
Fabry-Perot滤波器
基本原理：F-P干涉仪，平行 平板的多光束干涉。 当入射光波的波长为腔长的 整数倍时， 光波可形成稳定 振荡， 输出光波之间会产生 多光束干涉， 最后输出等间 隔的梳状波形（对应的滤波 曲线为梳状）。
F-P(法珀) 滤波器特性
谐振频率f
f=mc/2nl
为提高下话路信号的质量，通带内的平坦行也应改善， 这可以通过将多个环形谐振器进行级联来实现。
oh no，thank you
光滤波器按照工作原理分为以下三种类型：
棱镜形滤波器；
模式耦合滤波器
干涉型滤波器
多层介质薄膜滤波器 ※法布里—珀罗型滤波器FR
衍射型滤波器
{传统光栅
光光学滤波器件，利用棱镜对不同波长 的光有不同的折射率，是不同频率的光具有 不同的偏折角这一原理进行滤波的。
优点：
光纤波导端面代替平面镜，通过外加电压使得压电陶瓷产生电致伸 缩作用来改变谐振腔的长度，从而实现频率的选择调节。 它的镜面镀在窄气隙波导腔两侧的光纤端面上 空气隙腔于内波导腔折射率匹配，通过空气隙实现频谱调谐，通过 内光纤波导腔增加腔长。 具体看下图~~
b）空气隙波导腔法珀滤波器：
c）由以上两种混合成的内波导腔法珀滤波器：
2dn R
精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
F FSR R R越大，精细度越大。 FWHM 1 R
Frequency
F
FSR＝C/2nd 高反射率窄带滤波器
FSR R F F 1 R
几种典型的法布里-珀罗型滤波器：
a）光纤波导腔法珀滤波器：
WDM-PON有三种方案：
第一种是每个ONU分配一对波长，分别用于上行和下 行传输，从而提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点 双向连接； 第二种是ONU采用可调谐激光器（衍射型滤波器）， 根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够共享波长， 网络具有可重构性； 第三种是采用无色ONU（colorless ONU），即ONU与 波长无关方案。 还有一种是下行使用WDM-PON，上行使用TDM-PON的 混合PON。
干涉仪，间隔固定，为法布里-珀罗标准具）
详情看下图啊~~
多层介质膜滤波器
入射光
4
反射光 折射率
高 低 高 低 高
滤波器1滤波器2
1 , 2 , 3
1
2 , 3
3
透射光
2
介质薄膜滤波器
用介质薄膜滤波器构成解 复用器
介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应 选择波长。连续反射光在前表面相长干涉复合， 在一定的波长范围内产生高能量的反射光束， 在这一范围之外，则反射很小。
峰值透过率较强； 价格便宜； 由于棱镜是块状元器件，色散系数小； 由于滤波带宽较宽，不能用作窄带滤波；
缺点：
干涉型滤波器
利用相干光干涉的原理实现窄带滤波。
模式耦合滤波器：基于声光，电光，或磁光效应等各种 模式耦合的滤波器。 多层介质薄膜滤波器：在玻璃衬底上镀多层电介质薄膜， 通过控制沉积在衬底上薄膜的层数而制成各种窄带宽带 滤波器。 法布里-珀罗型：由平行放置的的两块平面板组成，为了 提高端面反射率，在俩平面板上镀有多层介质膜或金属 膜。（若平行板间隔可以改变，称为法布里-珀罗
多层介质膜工作原理
1 / 4 2 / 4
入射光 A B 反 射 光C n1
透射光
n2 > n1 n1
透射光
n2
n2
1
2
1
2
1 反 射 系 数 0 330
o
550 770
(nm)
(a)对 反射 光 相长 干 涉 的原 理
(b) 反 射系 数 与波 长 的 关系
所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有 相长干涉的特性 ( 相位差为 180 度 ) ，经过几层 这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系 数将达到 1。
缺点：
滤波器透过率主要参数：
1）中心波长：是指反射或透射带的两个边沿所对应波长的平均值。
2) 峰值波长：是指反射型滤波器的反射峰或透射型滤波器的透射峰所对应的波 长。
3） 带宽：一般用半值全宽【FWHM】也称3bB带宽来标定，即透射或反射型滤 波器的透过率或反射率下降为最大值一半时所对应的两波长之差值。 4） 自由光谱范围（FSR）：当滤波器透射峰有多个呈周期规律出现的峰值时， 相邻俩峰值波长（或频率）之差值。 详情请看下图啊~~
m=正整数(在频谱上的位置)；c=光速；n=谐振腔折射率；l=谐振腔长
自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振 频率的间距。
FSR=f（m+1）-f（m）=c/2nl;
3dB带宽FWHM：传输系数的数值降为最大值的一半 应的频带宽度。 FWHM C (1 R) R越大,FWHM越窄